Η κρυμμένη μαθηματική αρχιτεκτονική του Σύμπαντος αποκαλύφθηκε από τον «χορό» δύο μαύρων τρυπών

Μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature φέρνει στο φως την πιο ακριβή μέχρι σήμερα πρόβλεψη των βαρυτικών κυμάτων που προκαλούνται όταν δύο μαύρες τρύπες περνούν η μία κοντά στην άλλη χωρίς να συγχωνευτούν. Η εργασία αυτή, με επικεφαλής τον Mathias Driesse από το Πανεπιστήμιο Χούμπολντ του Βερολίνου, αναδεικνύει πώς σύνθετες μαθηματικές έννοιες της Θεωρητικής Φυσικής αποκτούν απτή αξία στην περιγραφή παρατηρήσιμων φαινομένων, ανοίγοντας νέους ορίζοντες για την κατανόηση της δομής του χωροχρόνου.

Τα βαρυτικά κύματα, δηλαδή διαταραχές στον ιστό του χωροχρόνου που προκαλούνται από την κίνηση μαζικών σωμάτων όπως οι μαύρες τρύπες, προβλέφθηκαν για πρώτη φορά από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1915, στο πλαίσιο της θεωρίας της γενικής σχετικότητας. Ωστόσο, χρειάστηκε να περάσουν εκατό χρόνια για την πρώτη άμεση ανίχνευσή τους, το 2015, μέσω του ανιχνευτή LIGO. Έκτοτε, τα κύματα αυτά έχουν μετατραπεί σε βασικό εργαλείο για την αστρονομία, προσφέροντας μια «ακουστική» οπτική στα πιο βίαια και μυστηριώδη γεγονότα του Σύμπαντος.

Για να ερμηνεύσουν όμως οι επιστήμονες τα σήματα που καταγράφουν οι ανιχνευτές όπως το LIGO και το Virgo, απαιτούνται εξαιρετικά ακριβή υπολογιστικά μοντέλα που περιγράφουν πώς μοιάζει ένα κύμα όταν προέρχεται από συγκεκριμένες κοσμικές αλληλεπιδράσεις. Μέχρι πρόσφατα, αυτές οι προσομοιώσεις γίνονταν κυρίως μέσω υπερυπολογιστών, με αργές και κοστοβόρες προσεγγίσεις.

Η νέα μελέτη διαφοροποιείται ριζικά, καθώς δεν επικεντρώνεται στις συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών, αλλά στα λεγόμενα συμβάντα σκέδασης: περιπτώσεις όπου δύο μαύρες τρύπες έλκονται αμοιβαία, περνούν σε πολύ κοντινή απόσταση η μία από την άλλη, και συνεχίζουν την πορεία τους σε αντίθετες κατευθύνσεις χωρίς να συγχωνευτούν. Παρότι δεν καταλήγουν σε έκρηξη ή κατάρρευση, τέτοιες διελεύσεις παράγουν ισχυρά βαρυτικά κύματα καθώς τα σώματα επιταχύνονται ραγδαία κατά τη σύγκλιση και απόκλιση.

Οι ερευνητές στράφηκαν στη θεωρία κβαντικού πεδίου, έναν τομέα της Φυσικής που χρησιμοποιείται κυρίως για την περιγραφή αλληλεπιδράσεων μεταξύ υποατομικών σωματιδίων. Μέσω πολυεπίπεδων υπολογισμών, πέτυχαν να προβλέψουν με ακρίβεια πόση ενέργεια ακτινοβολείται με τη μορφή βαρυτικών κυμάτων, πόσο εκτρέπονται οι μαύρες τρύπες από την αρχική τους πορεία και πόσο «αναπηδούν» μετά τη συνάντησή τους.

Το εντυπωσιακό στοιχείο είναι ότι η ομάδα έφτασε στον πέμπτο μετα-Minkowskiano βαθμό (τη μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια σε τέτοιου είδους προσομοιώσεις) κάτι που χαρακτηρίστηκε ως η πιο ακριβής λύση των εξισώσεων του Αϊνστάιν που έχει επιτευχθεί ποτέ.

Καθώς οι επιστήμονες υπολόγιζαν την ενέργεια που ακτινοβολείται σε μορφή βαρυτικών κυμάτων, εμφανίστηκαν στους υπολογισμούς οι ποικιλομορφίες Calabi–Yau, εξάδιάστατες γεωμετρικές δομές που χρησιμοποιούνται συνήθως στη θεωρία χορδών. Μέχρι σήμερα, οι εν λόγω δομές θεωρούνταν καθαρά μαθηματικά κατασκευάσματα, χωρίς άμεση παρατηρήσιμη αντιστοιχία στον φυσικό κόσμο.

Η εμφάνιση τους σε μια καθαρά φυσική πρόβλεψη αλλάζει τα δεδομένα. Όπως εξήγησε ο Gustav Mogull, συν-συγγραφέας της μελέτης από το Πανεπιστήμιο Queen Mary του Λονδίνου, η αποκάλυψη αυτών των μορφών είναι σαν να μεταβαίνει κανείς από έναν μεγεθυντικό φακό σε μικροσκόπιο: αποκαλύπτονται λεπτομέρειες της φύσης που προηγουμένως ήταν αόρατες.

Η νέα μεθοδολογία αναμένεται να ενισχύσει σημαντικά τα θεωρητικά μοντέλα πρόβλεψης βαρυτικών κυμάτων, κάτι που θα αποδειχθεί καθοριστικής σημασίας τα επόμενα χρόνια, όταν νέοι ανιχνευτές όπως το LISA (Laser Interferometer Space Antenna) και το Einstein Telescope τεθούν σε λειτουργία. Οι μελλοντικές αυτές υποδομές θα καταγράφουν βαρυτικά κύματα με πολύ μεγαλύτερη ευαισθησία, γεγονός που απαιτεί μοντέλα πρόβλεψης αντίστοιχης ακρίβειας.

Όπως χαρακτηριστικά ανέφερε ο Mogull, η βελτίωση της ακρίβειας δεν είναι απλώς επιθυμητή, αλλά αναγκαία, ώστε η θεωρία να συμβαδίζει με τις τεχνολογικές δυνατότητες των παρατηρήσεων.

[via]